盐生植物内生菌多样性与募集研究进展

穆耶赛尔·奥斯曼，祖力胡玛尔·肉孜，田永芝，安登第

（新疆师范大学生命科学学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

盐生植物是能够在高盐度（＞200 mmol/L NaCl）土壤中生长的一类植物，仅占植物种类的约1%［1］，但它们对盐碱土壤特别是荒漠生态系统的稳定发挥着重要作用。全世界有10亿公顷的土地受盐碱的影响［2］并以每年10%的速度递增［3］，故此盐生植物对全球生态系统安全特别是人类可持续发展至关重要。

研究已证实所有植物的生长发育均与环境及体内微生物相关，其中共生微生物是植物生态多样性产生的动力并具有决定性作用［4-5］，且物种的进化也是由共生微生物推动的［6-7］，亦表明盐生植物适应高盐度的机制与高度专一的、耐盐的内生和根际微生物相关，这些微生物可促进植物生长和对不利环境的耐受［8-13］。故此了解盐生植物内生菌多样性及募集策略对揭示共生抗逆机制及将其应用于环境改良有重要价值。

1 胁迫塑造盐生植物内生菌类群

植物与微生物共生是自然界的普遍现象，研究显示地球上约30万种植物中，每种都是一种或多种内生菌的宿主，内生菌种类从数个到数百个不等［14］。作为盐生植物，其遭受的非生物因子胁迫，特别是阴阳离子胁迫比其它植物更为严重，但它们仍然可以生存并发展壮大，其原因之一是与共生微生物的协同作用，已有大量报道证实了与盐生植物相关的内生细菌具有促进宿主生长及提高盐耐受的特性［8，15-17］，如分离自耐盐水稻的内生镰刀霉属（Fusariumsp.）真菌接种到盐敏品种IR-64上可促进其在盐胁迫下的生长并提高植株同化率、叶绿素稳定性等［18］，显示了内生菌在宿主环境适应中的重要价值。

植物体内微环境被认为是相对稳定的［19-20］且营养丰富，为内生菌生存提供了良好条件，内生菌多样性与组成似乎也应相对稳定，但其实内生菌多样性与多种植物、细菌和环境因素［21］相关，其中一些微生物似乎只适合生活在植物体内，如存在于盐生植物（Arthrocnemum macrostachyum）体内的加拿大嗜色盐杆菌（Chromohalobacter canadensis）和此前从未作为内生菌报道过的Rudaea cellulosilytica，以及嗜冷杆菌属（Psychrobacter）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）和盐单胞菌属（Halomonas）等部分菌株，并不能总在其宿主生长的土壤中被检测到［22］，也无法证实这些类群是由种子传播的；而加拿大嗜色盐杆菌在低盐度植物体内丰度低，但一旦在高盐环境的植物中定居就会获得优势［22］。此现象有悖于常识，但似乎可用代谢重置（Metabolism reconfiguration）［23］来解释，即生存于高盐环境的植物会被激活特定的生理和分子反应而导致代谢变化，从而为特定微生物提供更适合的营养或更适宜的环境。

土壤盐梯度直接影响立地植物多样性［24］和土壤微生物多样性，随盐度增加微生物多样性降低［25］，而内生菌来源于土壤是公认的事实［26］，故此植物内生菌多样性必然受土壤盐梯度的影响，如高盐度环境盐角草（Salicornia europaea）内生细菌OTUs的数量较高，变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteriodetes）为优势菌门，而低盐区厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）的数量较多［27］，且盐胁迫可促进内生菌与植物的结合［28］，显示盐胁迫可塑造内生菌多样性和类群结构，而不同种类的植物通过根分泌物介导根际微生物的丰度和活力［29］是内生菌物种特异性的基础。

植物体内离子浓度受土壤含盐量的影响［30］进而对内生菌组成施加影响，其中最显著的是植物的根，研究显示盐胁迫会导致植物根70%以上的内生菌类群发生变化［31］。Szymańska等［11］对波兰中部的两个盐梯度（55 dS·m-1和112 dS·m-1）盐碱地的盐角草根可培养内生菌分析显示，主要类群硬壁菌门和放线菌门源自低盐区的分别占40.9%和36.4%，而源自高盐区的则分别占31.8%和27.3%，显示盐度可降低优势菌群的丰度；采用高通量测序技术对生长在两种盐浓度土壤（113 dS·m-1和64 dS·m-1）的盐角草根内生菌多样性分析显示，高盐分土壤盐角草内生菌主要类群包括浮霉菌门（Planctomycetes）和酸杆菌门（Acidobacteria），低盐度土壤上内生菌主要类群为厚壁菌门、放线菌门和绿弯菌门，变形菌门和拟杆菌门（Bacteriodetes）是两个盐度共有的优势菌门［27］。我国新疆古尔班通古特沙漠的盐角草根、茎和枝的可培养内生菌则以放线菌门（65.6%）为主，其次为硬壁菌门（18.8%）和变形菌门（15.6%）［32］，显著区别于波兰盐角草。二者的区别是受原生境土壤理化性质影响，亦或是受盐梯度影响？依据目前资料尚难以做出判断。但You等［33］对三个地理环境的三种滨海盐生植物内生真菌的研究显示，不同物种间内生菌类群差异巨大，且内生菌对盐的耐受性与宿主盐环境相关，高盐环境植物的内生菌对盐的耐受性更高，显示植物内环境并非之前认为的那样温和，其对内生菌的生物学特性似乎具有“驯化”作用，即高盐环境导致植物体内离子浓度增加，进而“富集”了耐盐类群或通过胁迫“驯化”了固有类群的耐盐能力。

盐梯度不仅影响盐生植物内生菌的多样性，也会影响植物不同器官的内生菌组成［28］。Bibi等［34］对猪毛菜（Salsola imbricate）内生菌的分离鉴定显示，根内生菌优势类群是放线菌门，而叶中为硬壁菌门。Furtado等［35］对盐角草的分析显示，幼芽中的细菌多样性显著低于根，根内生菌群落的变异也明显高于枝条，且不同组织的微生物类群亦差异显著。对盐生植物补血草（Limonium sinense）内生菌的可培养与非培养分析也显示根与叶存在显著差异［36］，显示内生菌类群也具有组织特异性。

2 盐生植物内生菌募集

共生是微生物与宿主相互选择的结果［37-38］，植物体内微生物群落的建立是由特定的规则控制的［39-40］，作用于宿主的选择压力会影响相关微生物群落，并为宿主选择适合的微生物，从而影响植物的适应性［41］，而盐生植物可能招募特定的细菌来增强它们对恶劣环境的耐受能力［36］。

内生菌定殖是一个复杂的过程，可以分为五个阶段：（1）游离于土壤中的微生物识别根分泌物并趋向运动；（2）吸附于根表面；（3）形成生物膜；（4）穿透根表面；（5）定殖于植物内部［42-43］。内生菌的定殖是通过一系列包括运动性、附着、植物聚合物降解和逃避植物防御等特性实现的［21］，其定殖过程的每一个阶段都是由各种生物分子推动双方基因表达而实现的［44］，其中微生物感应和快速响应植物信号并侵入宿主体内的的能力是其定殖成功的关键。定殖首先是自由生活的细菌向根的趋化并附着在根表面，其中甲基受体趋化蛋白（MCPs）在第一阶段起主要作用，这是一类跨膜传感器，可以探测到细菌周围的分子，从而引导它们接近或远离植物根部［45］，而定殖过程与细菌运动性［46-47］、附着［48-49］、成功攻击植物根表面［50-51］及适应体内环境［52］等均相关。

内生菌的主要来源是根际［53-54］。研究认为内生菌源于土壤微生物群落在趋化作用下定殖于根［40，55-56］，然后迁移到地上部分，或通过垂直（种子）传播［57］而建立。植物根是内生细菌数量最多、种类最丰富的器官［58］，拥有大量微生物物种的土壤是微生物的“种子库”，这些微生物的特性会影响植物的生理和根系分泌物的分布，进而对根内微生物的组成结构产生重要影响［59］。试验证实，接种到土壤的细菌首先在根际定殖［60］，然后附着在根表面形成细胞串［61］，之后在根表面和一些根真皮细胞定殖，形成微菌落或生物膜［62］。Wagner等［63］对一种多年生野芥属植物Boechera stricta的研究表明，细菌群落在叶片和根系中具有高度相似性，表明细菌群落是从土壤中募集的［42］。Mora-Ruiz等［22］对盐生植物Arrocnemum macrostachyum的根、绿茎和红茎三个部位的内生菌多样性分析显示，从根到红叶其多样性逐步减少，即细菌的定殖源于根际土壤，随后通过根迁移到植物的空中部分，故此认为植物内生菌来源于土壤。

植物只能募集已经存在于土壤中的微生物［54］，故此土壤对植物内部共生微生物组成和多样性有决定作用，而土壤理化性质是决定其中细菌种类组成的主要因素，根区土壤含盐量是影响盐角草内生菌菌群构建的主要因素，高盐分土壤中δ-变形菌门（Deltaproteobacteria）、酸杆菌门、暖发菌门（Caldithrix）、纤维杆菌门（Fibrobacteres）和疣微菌门（Verrucomicrobia）显著较多说明盐生细菌在缓解盐生植物的盐胁迫方面具有潜在的作用［27］。同时土壤阴阳离子对内生菌组成也有直接影响，如Szymańska等［27］报道，内生细菌群落与土壤CaCO3、电导率（ECe）、Na+、K+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO3-呈正相关。但盐碱土壤中微生物多样性随盐浓度的增加呈线性下降，高盐会降低微生物多样性而增加相对丰度，细菌类群在盐浓度3.5～4.5%与4.5～5.5%之间相似，但与1.5～2.0%和7.5～8.5%间显著不同［25］，高盐胁迫会增加微生物在根的定殖速率，表明盐胁迫促进了内生菌与植物的结合［28］。盐生植物A.macrostachyum是可耐受高达1030 mmol/L NaCl的一种植物［30］，其内生菌组成在不同盐度土壤中生长时与相应的根际土壤群落共享9%到53%［22］，证实根定殖是其内层组成的主要贡献者［40］。

植物对内生菌的募集是其相互间复杂交流的过程，微生物须识别根系分泌物中的特定化合物，而植物产生这些根分泌物是为了获得自身的生态优势［64］。当然这个募集过程也受到植物内环境和遗传因素［65］的影响，而一旦进入根部，内生细菌就可以系统地感染邻近的植物组织而成为内生菌，并通过对宿主的代谢与基因表达的调控而提高其环境适应性。

3 展望

内生菌赋予宿主植物更广泛的环境适应能力，而微生物是否可以成为内生菌受多种因素的影响和限制。首先是宿主植物通过根系分泌物组建根际微生物群落，尽管此过程看似是由植物决定的，但实际上土壤固有微生物类群才是关键；被富集的微生物依趋化效应接近并在宿主根表面附着，然后启动相应的侵入机制感染植物并在成功逃避宿主免疫系统后成为内生菌。进入植物体内的微生物相互间还会产生强烈的相互作用，包括对生态位和营养的竞争、对宿主代谢的调控、自身对内环境的适应等，一方面获得自身的生存空间，另一方面对宿主产生或正面、或负面（如病原菌）的影响。在全面了解微生物对宿主的调控机制的基础上，采用对土壤施用微生物肥料（接种）的方式调控内生菌类群是利用微生物增强植物环境适应性的重要措施，特别对于盐生植物而言，选取耐盐且可内生的菌株接种于土壤，是拓展盐生植物环境适应性的有效手段，必将对利用微生物促进盐碱地植物生长改善环境起到积极作用。